林曉梅, 呂熠棟, 劉永利, 李慧然

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

噴濺是AOD爐煉鋼時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的一種情況,是指大量的含有粒狀鐵的泡沫渣從爐口溢出,而且遇到的噴濺往往也表現(xiàn)不一樣。但不管怎樣,只要有噴濺發(fā)生,就會(huì)造成諸如環(huán)境污染、產(chǎn)量降低和設(shè)備損壞,以及煉鋼成本增加等,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備故障和危及人的生命安全。因此,噴濺一直以來都是令廣大AOD爐煉鋼人員頭痛的一個(gè)問題。因此,預(yù)防和減少噴濺,同時(shí)還不影響AOD爐正常生產(chǎn)具有十分重大的意義。為了預(yù)防和減少噴濺,國(guó)內(nèi)外大多數(shù)煉鋼公司采用聲納化渣技術(shù)、音平控渣技術(shù)、加料法、測(cè)定并控制爐內(nèi)液面的高度等方法和技術(shù)。雖然取得了一定的成就,但還是不能完全預(yù)防噴濺發(fā)生,所以,有必要提出一種新的更好的方法來預(yù)防噴濺發(fā)生。文中基于AOD爐CO氣體濃度的分析[1],從根本上預(yù)防了噴濺發(fā)生。

1 噴濺產(chǎn)生原因

噴濺的分類方法有很多。根據(jù)噴濺產(chǎn)生的原因進(jìn)行歸納總結(jié)[2],噴濺大致可分為:金屬噴濺(或返干性噴濺)、泡沫性噴濺及爆發(fā)性噴濺。

雖然噴濺在AOD爐煉鋼過程中很常見,但僅僅靠吹入的氧氣流股要把金屬和熔渣吹出爐口以外是不可能的,這是因?yàn)殍F水和爐渣的密度都較大,因此,要產(chǎn)生噴濺必然有外部力量共同參與作用,這個(gè)外部力量就是熔池中碳氧反應(yīng)時(shí)生成的大量CO氣體。

爆發(fā)性噴濺產(chǎn)生的原因主要是熔池內(nèi)碳氧反應(yīng)不均衡發(fā)展,瞬時(shí)產(chǎn)生大量的CO氣體。正常情況下,碳均勻氧化生成CO氣體并均勻排出,不致產(chǎn)生猛烈的噴濺,但碳氧反應(yīng)對(duì)溫度的變化非常敏感,在1 470℃以下,碳氧反應(yīng)受到抑制,而在1 470℃以上時(shí),則能順利進(jìn)行,如果操作不當(dāng)(如二批渣料加得不合適等),就會(huì)使熔池溫度驟降到1 470℃以下,供氧生成的FeO聚積,而后隨著溫度升高至1 470℃以上,則會(huì)發(fā)生激烈的碳氧反應(yīng),從而造成噴濺。

泡沫性噴濺產(chǎn)生的原因主要是爐渣泡沫化嚴(yán)重時(shí),使渣層變厚,阻礙CO氣體順暢排出而造成。究其原因,除了碳氧反應(yīng)不均衡外,還與爐熔比的大小、渣量多少及熔渣泡沫化程度等有關(guān)。

金屬噴濺產(chǎn)生的原因主要是渣中TFe過低,熔渣流動(dòng)性不好,氧氣流直接接觸金屬液面,碳氧反應(yīng)生成的CO氣體排出時(shí)帶動(dòng)金屬液滴飛出爐外而形成。金屬噴濺也往往與操作不當(dāng)有很大關(guān)系,如長(zhǎng)時(shí)間槍位過低、二批料加入過早、爐渣未化透就急于降槍脫碳等,都有可能產(chǎn)生金屬噴濺。

2 基于CO氣體濃度預(yù)防噴濺原理

2.1 質(zhì)譜技術(shù)基本原理

爐氣分析技術(shù)[3],即在煙道上安裝在線分析儀,通過實(shí)時(shí)分析煙氣中各氣體成分(包括CO,CO2,N2,Ar2,O2,H2,He等)的含量和溫度等信息,以此來實(shí)時(shí)探測(cè)爐內(nèi)動(dòng)態(tài)變化情況,進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)控制的一種分析技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)作為一種分析手段,具有靈敏度好、分辨率高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn),在傳統(tǒng)的有機(jī)物質(zhì)分析、同位素、地球科學(xué)、考古學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面有著較為廣泛的應(yīng)用,使之成為當(dāng)今最有發(fā)展前景的分析技術(shù)[4]。作為質(zhì)譜技術(shù)的一個(gè)分支,飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)在爐氣分析領(lǐng)域更是有著無以倫比的優(yōu)勢(shì)。飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)是利用動(dòng)能相同而質(zhì)荷比不同的離子在恒定電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),經(jīng)過恒定距離所需時(shí)間不同的原理對(duì)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的一種質(zhì)譜分析方法。質(zhì)譜分析法[5]是通過對(duì)樣品離子的質(zhì)量和強(qiáng)度的測(cè)定來進(jìn)行定量分析和結(jié)構(gòu)分析的一種分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特征之一,不同的物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜質(zhì)譜,利用這一性質(zhì),可以進(jìn)行定性分析(包括分子質(zhì)量和相關(guān)結(jié)構(gòu)信息);譜峰強(qiáng)度也與它代表的化合物含量有關(guān),可以用于定量分析。按照離子的質(zhì)量對(duì)電荷的比值(即質(zhì)荷比)的大小依次排列所構(gòu)成的圖譜,稱為質(zhì)譜,從本質(zhì)上看,質(zhì)譜不是光譜,而是帶電離子的質(zhì)量譜。

質(zhì)譜儀測(cè)定爐氣中CO和CO2及爐氣流量,利用反應(yīng)過程的碳平衡,爐氣中CO與脫碳速度有下列關(guān)系[6]:

吸入的空氣量少且是一定的,爐氣流量是一定的,因此式(1)反應(yīng)生成的CO2基本上是個(gè)常量。從式中可以看出,在AOD爐冶煉過程中,CO濃度變化與脫碳速度成正比[7-9]。

圖1 飛行質(zhì)譜儀的工作原理

2.2 利用CO濃度曲線預(yù)防噴濺發(fā)生的原理

噴濺一般發(fā)生在冶煉的前期和中期,反映在dC/dt曲線表現(xiàn)為其值急劇下降;其下降原因可以解釋為爐氣中的CO減少,則渣中CO富集,爐渣泡沫化嚴(yán)重;或渣中FeO含量太高。

3 討 論

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,用飛行質(zhì)譜儀所測(cè)的6種氣體(H2,CO,N2,O2,Ar,CO2)數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示。

圖中曲線代表CO濃度曲線,其中圖2噴濺更為嚴(yán)重。

圖2 爐氣H2濃度曲線圖

圖3 爐氣CO濃度曲線圖

圖4 爐氣N2濃度曲線圖

圖5 爐氣O2濃度曲線圖

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,利用了CO濃度曲線值改變氧槍的高度來預(yù)防噴濺所得的曲線圖,如圖6和圖7所示。

圖6 爐氣Ar濃度曲線圖

圖7 爐氣CO2濃度曲線圖

從圖6和圖7中可以得出以下結(jié)論:在AOD爐吹煉過程中,根據(jù)CO濃度值小于0.54且下降斜率小于-0.003時(shí),把氧槍緩慢地降低高度,使下降斜率大于-0.003時(shí),再緩慢地提高氧槍的高度,這一原則可以很好地預(yù)防噴濺發(fā)生。

把利用CO濃度來預(yù)防AOD爐噴濺的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中,所得的統(tǒng)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 應(yīng)用前后AOD爐噴濺的變化

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,預(yù)測(cè)噴濺成功率達(dá)到85%以上,AOD爐噴濺發(fā)生率由原來的21%降低到目前的4.3%。

4 結(jié) 語

(1)在AOD爐冶煉期間,爐氣成分中的CO呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,這些變化規(guī)律間接反映了爐渣的狀況。

(2)利用CO濃度曲線值可有效地對(duì)噴濺與異常爐況進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制。

(3)利用CO濃度曲線值對(duì)噴濺與異常爐況進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí),可從CO濃度曲線值和該曲線上升或下降的斜率來判斷。

文中利用CO濃度曲線來預(yù)防噴濺取得了很好的效果,不僅有效預(yù)防了噴濺的發(fā)生,穩(wěn)定了吹煉過程,還提高了AOD爐終點(diǎn)命中率。

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